DE10128135A1 - Magnetoresistive Schichtanordnung und Gradiometer mit einer derartigen Schichtanordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine magnetoresistive Schichtanordnung (5) mit einer Schichtfolge (16) mit mindestens zwei magnetischen Schichten (12, 12') vorgeschlagen, zwischen denen sich eine nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Zwischenschicht (13) befindet, wobei der elektrische Widerstand der Schichtanordnung (5) in Abhängigkeit von einem externen, auf die Schichtanordnung (5) einwirkenden Magnetfeld veränderbar ist. Weiter ist zumindest bereichsweise mindestens eine hartmagnetische Schicht (15) in die Schichtanordnung (5) integriert, die zumindest einen Bereich einer Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht (12, 12') und der Zwischenschicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt. Die vorgeschlagene magnetoresistive Schichtanordnung (5) eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem GMR-Sensorelement mit gekoppelten Multilagen oder einem AMR-Sensorelement mit einer Barber-Pole-Struktur. Daneben wird auch ein Gradiometer (30) mit einer Mehrzahl von derartigen Schichtanordnungen (5) vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetoresistive Schichtanord­ nung, insbesondere zur Verwendung in einem GMR-Sensorele­ ment, einem AMR-Sensorelement oder einem Gradiometer, sowie ein Gradiometer mit dieser Schichtanordnung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Magnetsensoren finden breiten Einsatz in Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Drehzahlfühler am Rad, als Drehzahl- bzw. Phasengeber für die Motorsteuerung oder als Lenkwinkelsensor für Fahrdynamikregelsysteme. Dabei machen die steigenden An­ forderungen nach größeren Arbeitsabständen, d. h. entspre­ chend größeren Luftspalten, und größeren Messbereichen, d. h. größeren abzudeckenden Winkel- bzw. Magnetfeldbereichen, im­ mer robustere Sensoren erforderlich.

Die GMR-Technologie ("Giant Magneto Resistance") und auch die AMR-Technologie ("Anisotropic Magneto Resistance") er­ laubt es, Sensorelemente herzustellen, die diesen Anforde­ rungen gerecht werden. So sind zum Einsatz in Kraftfahrzeu­ gen insbesondere gekoppelte Multilagen-Schichtsysteme und sogenannte Spin-Valve-Schichtsysteme mit einem GMR-Effekt oder auch AMR-Sensorelemente mit einer sogenannten "Barber- Pole-Struktur" relevant.

Gekoppelte Multilagen-Schichtsysteme, wie sie beispielsweise aus G. Binasch et al., Phys. Rev. B, 39 (1989), Seite 4828 ff., und M. N. Baibich et al., Phys. Rev. Letters, 61 (1988), Seite 2472 ff., bekannt sind, bestehen aus alternie­ renden, ultradünnen weichmagnetischen und unmagnetischen Schichten, beispielsweise alternierenden Kobalt-Schichten und Kupfer-Schichten, wobei durch die Wahl der Dicke der Kupfer-Schichten eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den benachbarten Kobalt-Schichten einstellbar ist. Auf diese Weise richten sich die Magnetisierungsrichtungen dieser ma­ gnetischen Kobalt-Schichten ohne ein äußeres Magnetfeld an­ tiparallel zueinander aus, so dass der elektrische Wider­ stand für einen in der Schichtanordnung geführten elektri­ schen Strom durch eine Spin-abhängige Elektronenstreuung ma­ ximal ist. Wird nun zusätzlich ein externes Magnetfeld ange­ legt, so richten sich die Magnetisierungen in den magneti­ schen Schichten weitgehend parallel zu diesem aus, wodurch der elektrische Widerstand in der Schichtanordnung deutlich sinkt. Insbesondere sind Effektgrößen von 20% bis 30% re­ lativer Widerstandsänderung bei Raumtemperatur erreichbar.

Bei den darüber hinaus bekannten Spin-Valve-Schichtsystemen wird eine magnetisch weiche bzw. weichmagnetische Detekti­ onsschicht durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht von einer magnetisch härteren Schicht getrennt. Die unmagneti­ sche Schicht ist dabei so dick ausgebildet, dass nur eine geringe magnetische Kopplung zwischen den beiden magneti­ schen Schichten über die nichtmagnetische Zwischenschicht erfolgt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht schon sehr kleinen externen Magnetfeldern folgt. Weiter ist dort vorge­ sehen, dass die Richtung der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht durch eine sogenannte "Pinning-Schicht" aus­ gerichtet und festgehalten wird. Legt man nun ein äußeres Magnetfeld an und dreht dessen Richtung, so folgt die Magne­ tisierung der magnetisch weichen Schicht der Richtung dieses Magnetfeldes, während die Richtung der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht fest bleibt. Somit überträgt sich der Winkel des externen Magnetfeldes auf den Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen dieser beiden magnetischen Schichten und es resultiert ein winkelabhängiger elektri­ scher Widerstand in der Schichtanordnung. Die "Pinning- Schicht" ist dabei üblicherweise als Antiferromagnet oder als Kombination aus einem Antiferromagneten und einem soge­ nannten künstlichen Antiferromagneten ausgebildet. Einzel­ heiten zu derartigen Spin-Valve-Schichtsystemen sind in DE 199 49 714 A1 beschrieben.

Einen Überblick über magnetoresistive Sensorelemente, der auch AMR-Sensorelemente mit einer Barber-Pole-Struktur um­ fasst, gibt U. Dibbern in "Sensors - A Comprehensive Sur­ vey", herausgegeben von W. Göpel et al., Band 5, Magnetic Sensors, VCH Verlag, Weinheim, 1989, Seiten 342 bis 380.

Nachteilig bei bekannten magnetoresistiven Schichtsystemen, beispielsweise in Form eines GMR-Sensorelementes mit gekop­ pelten Multilagen, ist deren bei Auftrag der relativen Wi­ derstandsänderung ΔR/R als Funktion des äußeren Magnetfeldes B bzw. H annähernd dreiecksförmige Kennlinie, die um das Nullfeld herum, d. h. bei einem schwachen externen Magnet­ feld, flach verläuft, so dass solche Sensorelemente wenig sensitiv auf Änderungen eines kleinen, externen Magnetfeldes sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße magnetoresistive Schichtanordnung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die darin integrierte hartmagnetische Schicht, die die Schichtanordnung zumindest bereichsweise mit einem internen Magnetfeld beaufschlagt, eine Verschiebung des Arbeitspunk­ tes der ΔR/R-B-Kennlinie der magnetoresistiven Schichtanord­ nung erreicht wird.

Daneben ist vorteilhaft, dass im Fall des Einsatzes solcher Schichtanordnungen mit gekoppelten Multilagen in einem Gra­ diometer, beispielsweise zur Polradabtastung, durch die in­ tegrierte hartmagnetische Schicht der Arbeitspunkt so ge­ wählt werden kann, dass eine maximale Sensitivität des Gra­ diometers erreicht wird, ohne dass dazu ein externer Halte­ magnet erforderlich ist.

Insbesondere wird durch die integrierte hartmagnetische Schicht ein internes Magnetfeld, ein sogenanntes "Bias- Magnetfeld", erzeugt, das als Magnetfeld-Offset wirkt, so dass auch bei einer nur schwachen Variation eines dem inter­ nen Magnetfeld überlagerten externen Magnetfeldes von bei­ spielsweise einigen mTesla eine gut messbare und relativ große Veränderung des eigentlichen Messwertes ΔR/R, der als Widerstandsänderung in der Schichtanordnung detektiert wird, erreichbar ist. Insbesondere wird durch das von der hartma­ gnetischen Schicht hervorgerufene interne Magnetfeld vermie­ den, dass der Arbeitspunkt der magnetoresistiven Schichtanordnung im Bereich des sogenannten Nullfeldes gemäß Fig. 2 liegt, wo diese Kennlinie bei Variation des externen Magnetfeldes B bzw. H relativ flach verläuft.

Zudem ist vorteilhaft, dass durch die zusätzlich vorgesehene hartmagnetische Schicht die Erzeugung eines Bias- Magnetfeldes über einen extern auf die magnetoresistive Schichtanordnung montierten separaten Magneten unterbleiben kann. Dies spart erhebliche Materialkosten und Montageko­ sten, insbesondere auch für eine Ausrichtung eines solchen externen Magneten in der Fertigung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn die Stärke des von der hartmagnetischen Schicht hervorgerufenen Magnetfeldes im Be­ reich zwischen 1 mlesla und 30 mTesla, insbesondere 2 mTesla bis 15 mTesla, liegt. Durch derartige Felder wird eine weit­ gehend optimale Verschiebung des Arbeitspunktes erreicht.

Daneben ist vorteilhaft, wenn mehrere Schichtanordnungen zu einem auf Feldinhomogenitäten sensitiven Gradiometer zusam­ mengeschaltet sind, wobei das von der hartmagnetischen Schicht erzeugte, interne Magnetfeld in den vorzugsweise je­ weils mäanderförmig strukturierten Schichtanordnungen je­ weils derart dimensioniert ist, dass alle Mäanderbereiche mit einem hinsichtlich Stärke und Richtung zumindest nähe­ rungsweise gleichen Magnetfeld beaufschlagt werden.

Zur Realisierung eines Gradiometers werden, beispielsweise zur Abtastung magnetischer Polräder bei der Drehzahlerfas­ sung, mehrere erfindungsgemäße Schichtanordnungen vorteil­ haft in Form einer Wheatstonebrücke zusammengeschaltet, wo­ bei jeweils zwei der vier Widerstände der Wheatstonebrücke räumlich so angeordnet sind, dass die Differenz der Feld­ stärke zwischen den beiden Brückenteilen bzw. Halbbrücken maximal ist. In diesem Fall wird durch die Brückenteile nicht die lokale Feldstärke erfasst, sondern deren Diffe­ renz. Damit mit einem solchen Gradiometer dann auch schon bei kleinen Feldunterschieden große Differenzspannungen ent­ stehen, ist es erforderlich, die einzelnen Schichtanordnun­ gen im Bereich der steilen Flanke gemäß Fig. 2 zu betrei­ ben.

Insbesondere ist bei einem solchen Gradiometer vorteilhaft, dass die Richtung und Stärke des in der Schichtanordnung er­ zeugten, internen Bias-Feldes für alle Teile der Wheatstone­ brücke einheitlich wählbar ist. Somit ist man nicht darauf angewiesen, externe Magnete mit beispielsweise unterschied­ lichen Koerzitivfeldstärken einzusetzen.

Besonders vorteilhaft ist weiter, wenn das erzeugte interne Magnetfeld die sensitive Schichtfolge der magnetoresistiven Schichtanordnung zumindest näherungsweise gleichmäßig beauf­ schlagt, so dass die magnetischen Schichten und die elek­ trisch leitfähigen Zwischenschichten einem weitgehend glei­ chen internen Magnetfeld ausgesetzt sind.

Sofern die erfindungsgemäße magnetoresistive Schichtanord­ nung in Form gekoppelter Multilagen ausgeführt ist, ist wei­ ter vorteilhaft, wenn die sensitive Schichtfolge aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten weichmagnetischen Schichten besteht, die jeweils voneinander über eine Zwi­ schenschicht getrennt sind. Auf diese Weise wird das insge­ samt erhältliche Sensorsignal durch Addition der Signale der einzelnen Zwischenschichten erheblich vergrößert.

Hinsichtlich der Anordnung der in die Schichtanordnung inte­ grierten hartmagnetischen Schicht bestehen vorteilhaft eine Vielzahl von Möglichkeiten, die je nach Einzelfall an die konkreten Erfordernisse angepasst werden können. Besonders vorteilhaft ist, wenn die hartmagnetische Schicht auf der sensitiven Schichtfolge und/oder unter der sensitiven Schichtfolge und/oder zumindest bereichsweise lateral ein­ seitig oder beidseitig neben der sensitiven Schichtfolge an­ geordnet ist. Diese Anordnungen der hartmagnetischen Schicht lassen sich besonders leicht in den Fertigungsprozess inte­ grieren und erlauben eine einfache und zuverlässige Herstel­ lung der hartmagnetischen Schicht.

Im Übrigen ist vorteilhaft, dass durch die Integration der hartmagnetischen Schicht in die Schichtanordnung diese nun auch eine weitgehend beliebige Strukturierung aufweisen kann. Damit wird es möglich, die integrierte hartmagnetische Schicht lediglich bereichsweise auf, unter oder neben der eigentlich sensitiven Schichtfolge anzuordnen, so dass durch die spezielle geometrische Formgebung der als Dünnschicht- Bias-Magnet dienenden hartmagnetischen Schicht neue Funktio­ nalitäten der erfindungsgemäßen magnetoresistiven Schichtanordnung realisierbar sind. Insbesondere lassen sich auf diese Weise bei Positionssensoren Nichtlinearitäten aus­ gleichen.

Weiter ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Verschiebung des Arbeitspunktes einer magnetoresistiven Schichtanordnung durch Integration einer als Dünnschicht- Bias-Magnet dienenden hartmagnetischen Schicht auch bei AMR- Sensorelementen einsetzbar ist, die auf sogenannten Barber- Pole-Strukturen basieren. Auch dort kann nun ein externer, der Stabilisierung dienender Haltemagnet durch eine in eine entsprechende Schichtanordnung integrierte hartmagnetische Schicht ersetzt werden.

Hinsichtlich des Materials für die integrierte hartmagneti­ sche Schicht eignen sich prinzipiell alle in Dünnschicht­ technik abscheidbaren hartmagnetischen Materialien wie bei­ spielsweise SmCo, NdFeB, CoPt oder CoCr. Die Koerzitivität der hartmagnetischen Schicht ist vorteilhaft so gewählt, dass ein Einprägen der Magnetisierungsrichtung der hartma­ gnetischen Schicht bei deren Abscheidung einerseits ferti­ gungstechnisch noch leicht möglich ist, beispielsweise indem beim Abscheiden ein entsprechendes Magnetfeld angelegt wird, dass andererseits aber bei einem Einsatz der erfindungsgemä­ ßen magnetoresistiven Schichtanordnung im Kleinfeldbereich unter 100 mTesla auch keine irreversiblen Änderungen durch ein externes Magnetfeld bzw. Geberfeld oder durch sonstige Störfelder auftreten.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 schematisch ein magnetoresistives Schichtsystem für ein GMR- Sensorelement mit gekoppelten Multilagen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Kennlinie eines solchen Schichtsystems, die Fig. 3a, 3b und 3c jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen magnetoresistiven Schichtsystems, Fig. 4 eine Prinzipskizze einer Kennlinie eines Schichtsystems gemäß Fig. 3a, 3b oder 3c, und Fig. 5 eine weiteres Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen magnetoresistiven Schicht­ systems. Die Fig. 6 zeigt eine. Prinzipskizze eines Gradio­ meters mit vier in Form einer Wheatstonebrücke verschalteten magnetoresistiven Schichtsystemen, Fig. 7 eine Draufsicht auf entsprechend strukturierte Schichtanordnungen auf einem Substrat und Fig. 8 eine Weiterführung von Fig. 7 mit mä­ anderförmig strukturierten, zu einem Gradiometer zusammenge­ fassten Schichtanordnungen.

Ausführungsbeispiele

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung geht, wie in Fig. 1 dargestellt, zunächst von einem prinzipiell bekann­ ten magnetoresistiven Schichtsystem auf der Basis von gekop­ pelten Multilagen aus, das unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes B bzw. H einen GMR-Effekt aufweist, und das da­ her beispielsweise zur Verwendung in einem GMR-Sensorelement geeignet ist.

Im Einzelnen weist dieses magnetoresistive Schichtsystem ein Substrat 10 aus Siliziumdioxid oder Silizium auf, auf dem eine Pufferschicht oder Anpassschicht 11 ("Bufferschicht"), beispielsweise aus Eisen oder NiFe, vorgesehen ist. Auf der Pufferschicht 11 befindet sich eine dünne erste weichmagne­ tische Schicht 12, die aus einer Legierung von Eisen und Ko­ balt, beispielsweise 80 Atom% bis 95 Atom% Kobalt und 20 Atom% bis 5 Atom% Eisen, aus Kobalt oder aus einer Legie­ rung von Nickel und Eisen oder Nickel und Kobalt besteht. Die Dicke der ersten weichmagnetischen Schicht 12 liegt im Bereich von ca. 0,5 nm bis ca. 3 nm.

Unter einer weichmagnetischen Schicht wird eine Schicht aus einem ferromagnetischen Material verstanden, bei der die Richtung der Magnetisierung in der Schicht durch ein exter­ nes Magnetfeld beeinflussbar ist. Insbesondere richtet sich die Magnetisierung in einer weichmagnetischen Schicht mög­ lichst leicht und möglichst weitgehend parallel zu der Rich­ tung des externen Magnetfeldes aus. Demgegenüber wird unter einer hartmagnetischen Schicht eine Schicht aus einem ferro­ magnetischen Material verstanden, bei der die Richtung der Magnetisierung und insbesondere auch deren Stärke von einem externen Magnetfeld, abgesehen von extrem starken externen Feldern, möglichst unbeeinflusst bleibt.

Auf der ersten weichmagnetischen Schicht 12 befindet sich weiter als nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Zwischen­ schicht 13 eine Kupferschicht. Ihre Dicke beträgt 1 nm bis 4 nm, insbesondere 2 nm bis 2,5 nm. Alternativ kann die Zwi­ schenschicht 13 auch aus einer Legierung von Kupfer, Silber und Gold, beispielsweise aus 80 Atom% bis 90 Atom% Kupfer, 5 Atom% bis 15 Atom% Silber und 2 Atom% bis 8 Atom% Gold, bestehen.

Auf der Zwischenschicht 13 ist weiter eine zweite weichma­ gnetische Schicht 12' aufgebracht, die entsprechend der er­ sten weichmagnetischen Schicht 12 ausgebildet ist. Die bei­ den magnetischen Schichten 12, 12' und die dazwischen be­ findliche, unmittelbar benachbarte Zwischenschicht 13 bilden somit eine Schichtfolge 16, die bevorzugt zum Schutz vor Korrosion oder Umwelteinflüssen auf der Oberseite von einer Deckschicht 14, beispielsweise aus Tantal, bedeckt ist. Die dargestellte Pufferschicht 11 und/oder die Deckschicht 14 können im Übrigen auch entfallen.

Weiter ist bevorzugt, abweichend von der vereinfachten Dar­ stellung gemäß Fig. 1 bzw. den Fig. 3a bis 3c, vorgese­ hen, dass die Schichtfolge 16 eine Vielzahl von übereinander angeordneten Stapeln aus der ersten magnetischen Schicht 12, der Zwischenschicht 13 und der zweiten magnetischen Schicht 12' aufweist. Dies wird beispielhaft mit Hilfe der Fig. 5 erläutert.

Die Dicke der Zwischenschicht 13 ist so gewählt, dass die beiden weichmagnetischen Schichten 12, 12' in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes über die Zwischenschicht 13 an­ tiferromagnetisch koppeln, d. h. ihre jeweiligen Magnetisie­ rungen richten sich in Abwesenheit eines externen Magnetfel­ des antiparallel zueinander aus.

Die Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze der Kennlinie des ma­ gnetoresistiven Schichtsystems gemäß Fig. 1, wobei die Än­ derung des elektrischen Widerstandes in der Schichtfolge 16 bezogen auf den minimalen elektrischen Widerstand bei großem Magnetfeld, d. h. der Wert ΔR/R, als Funktion eines externen Magnetfeldes (B) aufgetragen ist. Das externe Magnetfeld hat dabei im ersten Quadranten der Kennlinie gemäß Fig. 2 eine definierte, feste Richtung, während die Kennlinie im 4. Qua­ dranten gemäß Fig. 2 einem analogen, jedoch entgegengesetzt gerichteten externen Magnetfeld entspricht.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass bei einer beispielsweise periodischen Variation des externen Magnetfeldes B um das Nullfeld herum, d. h. im Fall eines schwachen externen Ma­ gnetfeldes von unter 5 mTesla, der Wert von ΔR/R, d. h. die Antwort des Sensorelementes, aufgrund des flachen Verlaufes der Kennlinie nur wenig schwankt.

Die Fig. 3a zeigt als erstes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen resistiven Schichtanordnung eine Schicht­ anordnung 5, die zunächst analog der Fig. 1 aufgebaut ist, bei der aber zwischen der Pufferschicht 11 und der ersten weichmagnetischen Schicht 12 zusätzlich eine hartmagnetische Schicht 15 vorgesehen ist. Diese hartmagnetische Schicht 15 besteht beispielsweise aus einer SmCo-Legierung, einer NdFeB-Legierung, einer CoPt-Legierung, einer CoCr-Legierung, oder aus einem anderen, in Dünnschichttechnik abscheidbaren hartmagnetischen Material. Bei der Erzeugung der hartmagne­ tischen Schicht 15 wurde weiter ein Magnetfeld angelegt, so dass die hartmagnetische Schicht 15 eine Magnetisierung auf­ weist, die hinsichtlich Stärke und Richtung vorgegeben und zeitlich zumindest weitgehend konstant ist. Weiter ist die Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht 15 auch von ei­ nem externen Magnetfeld, dem die magnetoresistive Schichtanordnung 5 bei Betrieb beispielsweise in einem Sen­ sorelement ausgesetzt ist, hinsichtlich Richtung und Stärke zumindest weitgehend unbeeinflusst. Insofern bildet die hartmagnetische Schicht 15 einen in die magnetoresistive Schichtanordnung 5 integrierten Dünnschicht-Bias-Magneten. Die Dicke der hartmagnetischen Schicht 15 beträgt beispiels­ weise 30 nm bis 500 nm, beispielsweise etwa 150 nm.

Die Fig. 3b erläutert ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen magnetoresistiven Schichtanordnung 5, bei der die hartmagnetische Schicht 15 im Gegensatz zu Fig. 3a auf der Schichtfolge 16 bzw. auf der zweiten weichmagneti­ schen Schicht 12' zwischen dieser und der Deckschicht 14 an­ geordnet ist. Ansonsten ist die hartmagnetische Schicht 15 gemäß Fig. 3b analog der hartmagnetischen Schicht 15 gemäß Fig. 3a.

Die Fig. 3c erläutert ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die hartmagnetische Schicht 15 lateral beidseitig neben der Schichtfolge 16 aus den magnetischen Schichten 12, 12' und der Zwischenschicht 13 angeordnet ist.

Die Fig. 5 zeigt schließlich eine Schichtfolge 16 aus meh­ reren, vorzugsweise einer Vielzahl von übereinander angeord­ neten Stapeln aus der ersten magnetischen Schicht 12, der Zwischenschicht 13 und der zweiten magnetischen Schicht 12'. Daneben ist in Fig. 5 die hartmagnetische Schicht 15 unmit­ telbar auf dem Substrat 10 angeordnet, und von der Schicht­ folge 16 zunächst über eine Isolationsschicht 18 und einer auf dieser erzeugten Pufferschicht 11 getrennt.

Die Fig. 4 erläutert, wie durch die in die Schichtanordnung 5 integrierte hartmagnetische Schicht 15 in Form eines Dünn­ schicht-Bias-Magneten eine Verschiebung des Arbeitspunktes 17 in der Kennlinie der magnetoresistiven Schichtanordnung 5 erreicht wird. Man erkennt deutlich im Vergleich zu Fig. 2, dass durch das von der hartmagnetischen Schicht 15 erzeugte interne Magnetfeld, das zwischen 1 mlesla und 30 mTesla, insbesondere 2 mTesla bis 15 mTesla, liegt, eine Verschie­ bung des Arbeitspunktes 17 aus dem Bereich des Nullfeldes erreicht wird. Insbesondere liegt der Arbeitspunkt 17 gemäß Fig. 4 nun in der steilen Flanke der Kennlinie, so dass nunmehr auch geringe Veränderungen eines von Außen angeleg­ ten Magnetfeldes eine deutlich stärkere Veränderung der Grö­ ße ΔR/R bewirken, die letztlich das eigentliche Sensorsignal bildet.

Die Fig. 6 zeigt als Prinzipskizze die Zusammenschaltung von mehreren Schichtanordnungen 5 gemäß den Fig. 3a, 3b, 3c oder 5 über eine bekannte Wheatstonebrücke zu einem Gra­ diometer 30, wobei die Stärke und Richtung des in den Schichtanordnungen 5 durch die hartmagnetische Schicht 16 erzeugten internen Magnetfeldes H_Bias jeweils gleich ist. Da­ mit ist die Differenz der Feldstärke eines externen Magnet­ feldes zwischen den beiden Halbbrücken 19, 20 der Wheatsto­ nebrücke erfassbar.

Ein solches Gradiometer 30 wird durch Fig. 7 näher erläu­ tert, die vier Schichtanordnungen 5 gemäß Fig. 5 in Drauf­ sicht auf einem Substrat zeigt, wobei diese paarweise zu be­ nachbarten Streifen strukturiert sind. Auch in diesem Fall sind die Stärken und Richtungen der internen Magnetfelder Hsias jeweils gleich. Die einzelnen Schichtanordnungen 5 in Fig. 7 sind zudem analog Fig. 6 mittels nicht dargestell­ ter Leiterbahnen in Form einer Wheatstonebrücke verschaltet.

Die Fig. 8 zeigt in Weiterführung von Fig. 7 ein Gradiome­ ter 30, wobei die einzelnen Schichtanordnungen 5 in Drauf­ sicht jeweils mäanderförmig strukturiert und paarweise be­ nachbart angeordnet sind. Auf diese Weise bilden sich zwei Halbbrücken 19, 20, die über nicht dargestellte Leiterbahnen zu einer Wheatstonebrücke verschaltet sind.

Claims (14)

1. Magnetoresistive Schichtanordnung, insbesondere zur Verwendung in einem GMR-Sensorelement, einem AMR-Sensorele­ ment oder einem Gradiometer (30), mit einer Schichtfolge (16) mit mindestens zwei magnetischen Schichten (12, 12') zwischen denen sich eine nichtmagnetische, elektrisch leit­ fähige Zwischenschicht (13) befindet, wobei der elektrische Widerstand der Schichtanordnung (5) in Abhängigkeit einem externen, auf die Schichtanordnung (5) einwirkenden Magnet­ feld veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise mindestens eine hartmagnetische Schicht (15) in die Schichtanordnung (5) integriert ist, die zumindest einen Bereich einer Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht (12, 12') und der Zwischenschicht mit einem Magnet­ feld beaufschlagt.

2. Magnetoresistive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von der hartmagnetischen Schicht (15) hervorgerufene, interne Magnetfeld hinsichtlich Stärke und Richtung zeitlich zumindest weitgehend konstant ist, und insbesondere von dem externen Magnetfeld zumindest weitgehend unbeeinflusst bleibt.

3. Magnetoresistive Schichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von der hartmagne­ tischen Schicht (15) hervorgerufene, interne Magnetfeld eine beim Erzeugen der hartmagnetischen Schicht (15) eingestellte Richtung und Stärke aufweist.

4. Magnetoresistive Schichtanordnung nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stär­ ke des von der hartmagnetischen Schicht (13) hervorgerufe­ nen, internen Magnetfeldes im Bereich der Grenzfläche zwi­ schen 1 mTesla und 30 mTesla, insbesondere 2 mTesla bis 15 mTesla, beträgt.

5. Magnetoresistive Schichtanordnung nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hart­ magnetische Schicht (13) derart in die Schichtanordnung (5) integriert und das von ihr hervorgerufene, interne Magnet­ feld derart dimensioniert ist, dass es sich zumindest be­ reichsweise über die Schichtfolge (16) erstreckt und diese insbesondere näherungsweise gleichmäßig beaufschlagt.

6. Magnetoresistive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (15) aus SmCo, NdFeB, CoPt, CoCr oder einem anderen in Dünn­ schichttechnik abscheidbaren hartmagnetischen Material be­ steht.

7. Magnetoresistive Schichtanordnung nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtfolge (16) mit einer Vielzahl von übereinander ange­ ordneten weichmagnetischen Schichten (12, 12'), die jeweils voneinander zumindest bereichsweise über eine Zwischen­ schicht (13) getrennt sind, vorgesehen ist.

8. Magnetoresistive Schichtanordnung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (15) zumindest bereichsweise auf der Schichtfolge (16) und/oder zumindest bereichsweise unter der Schichtfolge (16) und/oder zumindest bereichsweise lateral einseitig oder beidseitig neben der Schichtfolge (16) angeordnet ist.

9. Magnetoresistive Schichtanordnung nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hart­ magnetische Schicht (15) von der Schichtfolge (16) über eine Trennschicht, insbesondere eine elektrisch isolierende Trennschicht, getrennt ist.

10. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (15) eine Strukturierung aufweist, und dass sie insbesondere lediglich bereichsweise auf und/oder unter der Schichtfolge (16) angeordnet ist.

11. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass minde­ stens eine der magnetischen Schichten (12, 12') Fe, Co oder Ni enthält und/oder aus NiFe, CoFe, NiCo oder Co besteht.

12. Gradiometer mit einer Mehrzahl von Schichtanordnungen (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

13. Gradiometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das von der integrierten hartmagnetischen Schicht (15) in den verschiedenen Schichtanordnungen (5) erzeugte Magnet­ feld hinsichtlich Stärke und Richtung jeweils zumindest nä­ herungsweise gleich ist.

14. Gradiometer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schichtanordnungen (5) zu einer Wheatsto­ nebrücke verschaltet sind.